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JP5911106B2 - Magnetic random access memory - Google Patents

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JP5911106B2 JP2013106718A JP2013106718A JP5911106B2 JP 5911106 B2 JP5911106 B2 JP 5911106B2 JP 2013106718 A JP2013106718 A JP 2013106718A JP 2013106718 A JP2013106718 A JP 2013106718A JP 5911106 B2 JP5911106 B2 JP 5911106B2
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Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)に関する。特に、本発明は、メモリセルとリファレンスセルを備えるMRAMに関する。   The present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM). In particular, the present invention relates to an MRAM including a memory cell and a reference cell.

MRAMは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。MRAMにおいては、TMR(Tunnel Magneto Resistance)効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が2層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合(MTJ; Magnetic Tunnel Junction)が形成される。その2層の強磁性層は、磁化方向が固定された磁化固定層(ピン層)と、磁化方向が反転可能な磁化自由層(フリー層)を含む。   MRAM is a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high-speed operation. In the MRAM, a magnetoresistive element exhibiting a “magnetoresistance effect” such as a TMR (Tunnel Magneto Resistance) effect is used. In the magnetoresistive element, for example, a magnetic tunnel junction (MTJ) in which a tunnel barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers is formed. The two ferromagnetic layers include a magnetization fixed layer (pinned layer) whose magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction can be reversed.

磁化固定層と磁化自由層の磁化方向が“反平行”である場合のMTJの抵抗値(R+ΔR)は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値(R)よりも大きくなることが知られている。MRAMは、このMTJをメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、反平行状態はデータ“1”に対応付けられ、平行状態はデータ“0”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書き込みは、磁化自由層の磁化方向を反転させることによって行われる。   The MTJ resistance value (R + ΔR) when the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer is “anti-parallel” is larger than the resistance value (R) when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. It is known to be. The MRAM uses this MTJ as a memory cell and stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in the resistance value. For example, the antiparallel state is associated with data “1”, and the parallel state is associated with data “0”. Data is written to the memory cell by reversing the magnetization direction of the magnetization free layer.

典型的なデータ書き込み方式は、所望の方向の磁界を磁化自由層に印加する「磁界書き込み方式」である。この場合、MTJ近傍に書き込み配線が設けられ、その書き込み配線に書き込み電流が流される。書き込み電流によって誘起される書き込み磁界は磁化自由層に印加され、その書き込み磁界の方向に応じて磁化自由層の磁化方向が反転する。   A typical data writing method is a “magnetic field writing method” in which a magnetic field in a desired direction is applied to the magnetization free layer. In this case, a write wiring is provided in the vicinity of the MTJ, and a write current is passed through the write wiring. A write magnetic field induced by the write current is applied to the magnetization free layer, and the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed according to the direction of the write magnetic field.

また近年、メモリセルの微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入(spin transfer)方式」が提案されている(特許文献1、非特許文献1参照)。スピン注入方式によれば、磁化自由層と磁化固定層との間にスピン偏極電流(spin-polarized current)が注入され、伝導電子のスピンと磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化自由層の磁化方向が反転する(スピン注入磁化反転:Spin Transfer Magnetization Switching)。非特許文献2では、0.2mAの書き込み電流でのスピン注入磁化反転が実証されている。非特許文献3では、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜を用いることにより書き込み電流を更に低減できることが報告されている。   In recent years, a “spin transfer method” has been proposed as a write method that can suppress an increase in write current accompanying the miniaturization of memory cells (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). According to the spin injection method, a spin-polarized current is injected between the magnetization free layer and the magnetization fixed layer, and the magnetization free layer is caused by a direct interaction between the spin and magnetic moment of conduction electrons. Is reversed (Spin Transfer Magnetization Switching). Non-Patent Document 2 demonstrates spin injection magnetization reversal at a write current of 0.2 mA. Non-Patent Document 3 reports that the write current can be further reduced by using a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy.

更に、特許文献2及び特許文献3には、スピン注入磁化反転を応用した「磁壁移動方式」が提案されている。磁壁移動方式によれば、磁化自由層は、磁化固定層と対向する磁化反転領域と、磁化反転領域の両サイドに設けられた磁化固定領域を含む。磁化自由層内の磁化反転領域と磁化固定領域との間には磁壁が形成される。データ書き込み時、書き込み電流は磁化自由層内を面内方向に流れ、スピン注入により磁化反転領域の磁化方向が反転する。これは、磁壁が磁化反転領域の一端から他端へ移動することに相当する(電流駆動磁壁移動:Current-Driven Domain Wall Motion)。つまり、磁化自由層では磁壁が移動し、その磁壁の位置によってMTJの抵抗値、すなわち記録データが変化する。その意味で、磁壁移動方式の磁化自由層は、磁壁移動層あるいは磁化記録層と参照される場合もある。非特許文献4では、垂直磁化膜の場合0.05mA程度の書き込み電流で電流駆動磁壁移動が可能であることが報告されている。   Furthermore, Patent Document 2 and Patent Document 3 propose a “domain wall motion method” that applies spin injection magnetization reversal. According to the domain wall motion method, the magnetization free layer includes a magnetization switching region facing the magnetization fixed layer, and a magnetization fixed region provided on both sides of the magnetization switching region. A domain wall is formed between the magnetization switching region and the magnetization fixed region in the magnetization free layer. When writing data, a write current flows in the in-plane direction in the magnetization free layer, and the magnetization direction of the magnetization switching region is reversed by spin injection. This corresponds to the movement of the domain wall from one end to the other end of the magnetization switching region (Current-Driven Domain Wall Motion). That is, the domain wall moves in the magnetization free layer, and the resistance value of the MTJ, that is, the recording data changes depending on the position of the domain wall. In this sense, the domain wall motion type magnetization free layer may be referred to as a domain wall motion layer or a magnetization recording layer. Non-Patent Document 4 reports that current-driven domain wall motion is possible with a write current of about 0.05 mA in the case of a perpendicular magnetization film.

特開2005−93488号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-93488 特開2005−191032号公報JP 2005-191032 A 国際公開WO/2007/020823International Publication WO / 2007/020823

J. C. Slonczewski, Current-driven excitationof magnetic multilayers, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159,L1-L7, 1996.J. C. Slonczewski, Current-driven excitation of magnetic multilayers, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-L7, 1996. T. Kawahara et al., 2Mb Spin-Transfer TorqueRAM (SPRAM) with Bit-by-Bit Bidirectional Current Write andParallelizing-Direction Current Read, 2007 IEEE International Solid-StateCircuits Conference, Session 26, 26.5.T. Kawahara et al., 2Mb Spin-Transfer TorqueRAM (SPRAM) with Bit-by-Bit Bidirectional Current Write and Parallelizing-Direction Current Read, 2007 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Session 26, 26.5. M. Nakayama et al., Spin transfer switchingin TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe magnetoresistive tunneling junctions withperpendicular magnetic anisotropy, 52nd Magnetism and Magnetic MaterialsConference, November 2007, BB-09.M. Nakayama et al., Spin transfer switchingin TbCoFe / CoFeB / MgO / CoFeB / TbCoFe magnetoresistive tunneling junctions withperpendicular magnetic anisotropy, 52nd Magnetism and Magnetic MaterialsConference, November 2007, BB-09. S. Fukami et al, Micromagnetic analysis ofcurrent driven domain wall motion in nano-strips with perpendicular magneticanisotropy, 52nd Magnetism and Magnetic Materials Conference, November 2007,FE-06.S. Fukami et al, Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nano-strips with perpendicular magneticanisotropy, 52nd Magnetism and Magnetic Materials Conference, November 2007, FE-06.

本願発明者は次の点に着目した。
図1は、一般的なMRAMの構成を概略的に示している。MRAM1のメモリセルアレイ2は、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルMCと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルRC0、RC1が含まれる。メモリセルMC、リファレンスセルRC0及びRC1は、同一の構造の磁気抵抗素子を有している。
The inventor of the present application paid attention to the following points.
FIG. 1 schematically shows a configuration of a general MRAM. The memory cell array 2 of the MRAM 1 has a plurality of cells arranged in a matrix. More specifically, the cell includes a memory cell MC for data recording and reference cells RC0 and RC1 that are referred to for generating a reference level when reading data. The memory cell MC and the reference cells RC0 and RC1 have magnetoresistive elements having the same structure.

メモリセルMCにはデータ“0”あるいはデータ“1”が格納される。メモリセルMCの磁気抵抗素子の抵抗値は、データ“0”の場合R0であり、データ“1”の場合R1である。リファレンスセルRC0はデータ“0”に設定されており、その磁気抵抗素子の抵抗値はR0である。一方、リファレンスセルRC1はデータ“1”に設定されており、その磁気抵抗素子の抵抗値はR1である。このようなリファレンスセルRC0、RC1の設定は、メモリセルMCに対するデータ書き込みと同様の方法で行われ、そのための専用のセットコントローラ4が設けられている。   Data “0” or data “1” is stored in the memory cell MC. The resistance value of the magnetoresistive element of the memory cell MC is R0 when the data is “0”, and R1 when the data is “1”. The reference cell RC0 is set to data “0”, and the resistance value of the magnetoresistive element is R0. On the other hand, the reference cell RC1 is set to data “1”, and the resistance value of the magnetoresistive element is R1. Such setting of the reference cells RC0 and RC1 is performed by a method similar to that for writing data to the memory cell MC, and a dedicated set controller 4 is provided for this purpose.

データ読み出し時、読み出し対象のメモリセルMCに加えて、リファレンスセルRC0、RC1に読み出し電流が流される。読み出し回路3は、メモリセルMCを流れる読み出し電流に基づいて、メモリセルMCの記録データに応じた読み出しレベルを生成する。また、読み出し回路3は、リファレンスセルRC0、RC1のそれぞれを流れる読み出し電流に基づいて、抵抗値R0とR1の中間抵抗値に対応するリファレンスレベルを生成する。そして、読み出し回路3は、読み出しレベルをリファレンスレベルと比較することによって、メモリセルMCの記録データを判定する。   At the time of data reading, a read current is supplied to the reference cells RC0 and RC1 in addition to the memory cell MC to be read. The read circuit 3 generates a read level corresponding to the recording data of the memory cell MC based on the read current flowing through the memory cell MC. Further, the read circuit 3 generates a reference level corresponding to an intermediate resistance value between the resistance values R0 and R1 based on the read current flowing through each of the reference cells RC0 and RC1. Then, the read circuit 3 determines the recording data of the memory cell MC by comparing the read level with the reference level.

以上に説明されたように、MRAM1のデータ読み出し時、相補データが記録された2種類のリファレンスセルRC0、RC1が用いられる。そのために、MRAM1の回路製造後、セットコントローラ4を用いてリファレンスセルRC0、RC1のそれぞれに相補データを書き込む必要がある。このような初期設定工程は、製造時間と製造コストの増大を招く。また、初期設定用のセットコントローラ4を設けることは、MRAM1の面積の増大を招く。   As described above, when reading data from the MRAM 1, two types of reference cells RC0 and RC1 in which complementary data are recorded are used. Therefore, it is necessary to write complementary data to each of the reference cells RC0 and RC1 using the set controller 4 after the circuit of the MRAM 1 is manufactured. Such an initial setting process causes an increase in manufacturing time and manufacturing cost. In addition, providing the initial setting controller 4 increases the area of the MRAM 1.

本発明の1つの目的は、MRAMにおけるリファレンスセルの初期設定が不要となる技術を提供することにある。   One object of the present invention is to provide a technique that eliminates the need for initial setting of a reference cell in an MRAM.

本発明の第1の観点において、磁気ランダムアクセスメモリが提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、メモリセルと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルとを備える。メモリセルは、抵抗値が第1値と第2値の間で切り換わる第1磁気抵抗素子を含む。一方、リファレンスセルは、抵抗値が第1値と第2値の間の第3値に固定された第2磁気抵抗素子を含む。   In a first aspect of the present invention, a magnetic random access memory is provided. The magnetic random access memory includes a memory cell and a reference cell that is referenced to generate a reference level when reading data. The memory cell includes a first magnetoresistive element whose resistance value switches between a first value and a second value. On the other hand, the reference cell includes a second magnetoresistive element whose resistance value is fixed to a third value between the first value and the second value.

本発明の第2の観点において、磁気ランダムアクセスメモリが提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、第1磁気抵抗素子を含むメモリセルと、第2磁気抵抗素子を含むリファレンスセルとを備える。第1磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された第1磁化固定層と、磁化方向が第1磁化固定層の磁化方向と平行あるいは反平行となる磁化反転領域を少なくとも含む第1磁化自由層と、第1磁化固定層と磁化反転領域に挟まれた第1非磁性層とを有する。一方、第2磁気抵抗素子は、磁気異方性の方向が第1方向に平行な磁化領域を少なくとも含む第2磁化自由層と、磁化方向が第1方向と直交する第2方向に固定された第2磁化固定層と、第2磁化固定層と磁化領域に挟まれた第2非磁性層とを有する。第1磁化固定層、第1磁化自由層、第2磁化固定層及び第2磁化自由層は、面内磁気異方性を有する。   In a second aspect of the present invention, a magnetic random access memory is provided. The magnetic random access memory includes a memory cell including a first magnetoresistive element and a reference cell including a second magnetoresistive element. The first magnetoresistive element includes a first magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, a first magnetization free layer including at least a magnetization switching region in which the magnetization direction is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer, And a first magnetization fixed layer and a first nonmagnetic layer sandwiched between the magnetization reversal regions. On the other hand, the second magnetoresistive element is fixed in a second magnetization free layer including at least a magnetization region in which the direction of magnetic anisotropy is parallel to the first direction, and in a second direction in which the magnetization direction is orthogonal to the first direction. A second magnetization fixed layer; and a second nonmagnetic layer sandwiched between the second magnetization fixed layer and the magnetization region. The first magnetization fixed layer, the first magnetization free layer, the second magnetization fixed layer, and the second magnetization free layer have in-plane magnetic anisotropy.

本発明の第3の観点において、磁気ランダムアクセスメモリが提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、第1磁気抵抗素子を含むメモリセルと、第2磁気抵抗素子を含むリファレンスセルとを備える。第1磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された第1磁化固定層と、磁壁が移動する第1磁化自由層と、第1磁化固定層と第1磁化自由層に挟まれた第1非磁性層とを有する。一方、第2磁気抵抗素子は、所定の位置に磁壁が形成された第2磁化自由層と、磁化方向が固定され上記所定の位置とオーバーラップする第2磁化固定層と、第2磁化固定層と第2磁化自由層に挟まれた第2非磁性層とを有する。   In a third aspect of the present invention, a magnetic random access memory is provided. The magnetic random access memory includes a memory cell including a first magnetoresistive element and a reference cell including a second magnetoresistive element. The first magnetoresistive element includes a first magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, a first magnetization free layer in which a domain wall moves, and a first nonmagnetic layer sandwiched between the first magnetization fixed layer and the first magnetization free layer. And having a layer. On the other hand, the second magnetoresistive element includes a second magnetization free layer having a domain wall formed at a predetermined position, a second magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed and overlapping the predetermined position, and a second magnetization fixed layer And a second nonmagnetic layer sandwiched between the second magnetization free layers.

本発明によれば、リファレンスセルの磁気抵抗素子は、メモリセルの磁気抵抗素子とは異なる構造を有している。リファレンスセルの磁気抵抗素子の抵抗値は、データ“0”とデータ“1”の中間レベルに固定されている。従って、相補データが記録された2種類のリファレンスセルは不要であり、リファレンスセルの初期設定も不要となる。その結果、製造時間が短縮され、製造コストが削減される。また、初期設定用のコントローラも不要となるため、MRAMの面積が削減される。   According to the present invention, the magnetoresistive element of the reference cell has a different structure from the magnetoresistive element of the memory cell. The resistance value of the magnetoresistive element of the reference cell is fixed at an intermediate level between data “0” and data “1”. Therefore, two types of reference cells in which complementary data are recorded are unnecessary, and initial setting of the reference cells is also unnecessary. As a result, the manufacturing time is shortened and the manufacturing cost is reduced. Further, since an initial setting controller is not necessary, the area of the MRAM is reduced.

図1は、一般的なMRAMの構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a general MRAM. 図2は、本発明の実施の形態に係るMRAMの構成を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the MRAM according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの構造の一例を示している。FIG. 3 shows an example of the structure of the memory cell and the reference cell according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第1の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの構造の他の例を示している。FIG. 4 shows another example of the structure of the memory cell and the reference cell according to the first embodiment of the present invention. 図5は、第1の実施の形態が磁界書き込み型に適用された場合を示している。FIG. 5 shows a case where the first embodiment is applied to a magnetic field writing type. 図6は、第1の実施の形態がスピン注入型に適用された場合を示している。FIG. 6 shows a case where the first embodiment is applied to a spin injection type. 図7は、第1の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセル及びリファレンスセルの構造を示している。FIG. 7 shows the structure of the memory cell and the reference cell when the first embodiment is applied to the domain wall motion type. 図8は、磁壁移動型の場合のデータ書き込みを示している。FIG. 8 shows data writing in the domain wall motion type. 図9は、第1の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセル及びリファレンスセルの変形例を示している。FIG. 9 shows a modification of the memory cell and the reference cell when the first embodiment is applied to the domain wall motion type. 図10は、本発明の第2の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの構造の一例を示している。FIG. 10 shows an example of the structure of the memory cell and the reference cell according to the second embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第2の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの構造の他の例を示している。FIG. 11 shows another example of the structure of the memory cell and the reference cell according to the second embodiment of the present invention. 図12は、第2の実施の形態がスピン注入型に適用された場合を示している。FIG. 12 shows a case where the second embodiment is applied to the spin injection type. 図13は、第2の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセル及びリファレンスセルの構造の一例を示している。FIG. 13 shows an example of the structure of the memory cell and the reference cell when the second embodiment is applied to the domain wall motion type. 図14は、第2の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセル及びリファレンスセルの構造の他の例を示している。FIG. 14 shows another example of the structure of the memory cell and the reference cell when the second embodiment is applied to the domain wall motion type. 図15は、第2の実施の形態におけるメモリセル及びリファレンスセルの平面形状の一例を示している。FIG. 15 shows an example of the planar shape of the memory cell and the reference cell in the second embodiment. 図16は、第2の実施の形態におけるメモリセル及びリファレンスセルの平面形状の他の例を示している。FIG. 16 shows another example of the planar shape of the memory cell and the reference cell in the second embodiment. 図17は、磁壁移動型の場合のデータ書き込みを示している。FIG. 17 shows data writing in the domain wall motion type. 図18は、本発明の第3の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの断面構造の一例を示している。FIG. 18 shows an example of a cross-sectional structure of a memory cell and a reference cell according to the third embodiment of the present invention. 図19は、本発明の第3の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの断面構造の他の例を示している。FIG. 19 shows another example of the cross-sectional structures of the memory cell and the reference cell according to the third embodiment of the present invention. 図20は、第3の実施の形態におけるメモリセルの平面形状の一例を示している。FIG. 20 shows an example of the planar shape of the memory cell in the third embodiment. 図21は、第3の実施の形態におけるメモリセルの平面形状の他の例を示している。FIG. 21 shows another example of the planar shape of the memory cell in the third embodiment. 図22は、第3の実施の形態におけるリファレンスセルの平面形状の一例を示している。FIG. 22 shows an example of the planar shape of the reference cell in the third embodiment. 図23は、第3の実施の形態におけるリファレンスセルの平面形状の他の例を示している。FIG. 23 shows another example of the planar shape of the reference cell in the third embodiment.

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るMRAMを説明する。   An MRAM according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図2は、本発明の実施の形態に係るMRAM10の構成を概略的に示している。MRAM10のメモリセルアレイ20は、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルMCと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルRCが含まれる。   FIG. 2 schematically shows a configuration of the MRAM 10 according to the embodiment of the present invention. The memory cell array 20 of the MRAM 10 has a plurality of cells arranged in a matrix. More specifically, the cell includes a memory cell MC for data recording and a reference cell RC that is referred to for generating a reference level when data is read.

メモリセルMCには、データ“0”あるいはデータ“1”が格納される。このメモリセルMCは第1磁気抵抗素子を含んでおり、その第1磁気抵抗素子の抵抗値は記録データに応じてR0とR1の間で切り換わる。例えば、データ“0”の場合、第1磁気抵抗素子の抵抗値はR0であり、データ“1”の場合、その抵抗値はR0より大きいR1である。一方、リファレンスセルRCは、第1磁気抵抗素子と異なる構造を有する第2磁気抵抗素子を含んでいる。その第2磁気抵抗素子の抵抗値は、上記R0とR1の間の中間値(以下、「R0.5」と参照される)に固定されている。つまり、第2磁気抵抗素子は、その抵抗値が単独でR0.5となるようにあらかじめ形成されている。   Data “0” or data “1” is stored in the memory cell MC. The memory cell MC includes a first magnetoresistive element, and the resistance value of the first magnetoresistive element is switched between R0 and R1 according to recording data. For example, in the case of data “0”, the resistance value of the first magnetoresistive element is R0, and in the case of data “1”, the resistance value is R1 larger than R0. On the other hand, the reference cell RC includes a second magnetoresistive element having a structure different from that of the first magnetoresistive element. The resistance value of the second magnetoresistive element is fixed to an intermediate value between R0 and R1 (hereinafter referred to as “R0.5”). That is, the second magnetoresistive element is formed in advance so that its resistance value is R0.5 alone.

データ読み出し時、読み出し対象のメモリセルMCとリファレンスセルRCに読み出し電流が流される。読み出し回路30は、メモリセルMCを流れる読み出し電流に基づいて、メモリセルMCの記録データに応じた読み出しレベルを生成する。また、読み出し回路3は、リファレンスセルRCを流れる読み出し電流に基づいて、中間抵抗値R0.5に対応するリファレンスレベルを生成する。そして、読み出し回路30は、読み出しレベルをリファレンスレベルと比較することによって、メモリセルMCの記録データを判定する。   When reading data, a read current is passed through the memory cell MC to be read and the reference cell RC. The read circuit 30 generates a read level corresponding to the recording data of the memory cell MC based on the read current flowing through the memory cell MC. Further, the read circuit 3 generates a reference level corresponding to the intermediate resistance value R0.5 based on the read current flowing through the reference cell RC. Then, the reading circuit 30 determines the recording data of the memory cell MC by comparing the reading level with the reference level.

このように、本実施の形態によれば、相補データが記録された2種類のリファレンスセルではなく、抵抗値がR0.5に固定された一種類のリファレンスセルRCが用いられる。リファレンスセルRCは抵抗値がR0.5となるようにあらかじめ形成されており、リファレンスセルRCの初期設定工程は不要である。その結果、製造時間が短縮され、製造コストが削減される。また、初期設定用のコントローラも不要となるため、MRAM10の面積が削減される。   Thus, according to the present embodiment, one type of reference cell RC whose resistance value is fixed to R0.5 is used instead of two types of reference cells in which complementary data is recorded. The reference cell RC is formed in advance so that the resistance value becomes R0.5, and the initial setting process of the reference cell RC is not necessary. As a result, the manufacturing time is shortened and the manufacturing cost is reduced. In addition, since an initial setting controller is not required, the area of the MRAM 10 is reduced.

また、読み出し回路30は、相補データが記録された2種類のリファレンスセルを参照して、抵抗値R0とR1の中間抵抗値に対応するリファレンスレベルを算出する必要はない。リファレンスレベルは、抵抗値がR0.5に固定された一種類のリファレンスセルRCを参照することによって直接的に得られる。従って、回路構成が単純になり、MRAM10の面積が削減される。   Further, the read circuit 30 does not need to calculate the reference level corresponding to the intermediate resistance value between the resistance values R0 and R1 with reference to the two types of reference cells in which the complementary data is recorded. The reference level is obtained directly by referring to one type of reference cell RC whose resistance value is fixed at R0.5. Therefore, the circuit configuration is simplified and the area of the MRAM 10 is reduced.

更に、既出の図1では、2種類のリファレンスセルRC0、RC1のそれぞれを配置するために2列必要であった。一方、図2では、1種類のリファレンスセルRCを配置するために1列で十分である。リファレンスセルのための領域が1列分不要となるため、メモリセルアレイの面積が削減される。特に小規模アレイの場合には、面積削減効果が顕著となる。   Further, in FIG. 1 described above, two rows are required to arrange each of the two types of reference cells RC0 and RC1. On the other hand, in FIG. 2, one row is sufficient for arranging one type of reference cell RC. Since the area for the reference cell is not required for one column, the area of the memory cell array is reduced. Particularly in the case of a small-scale array, the area reduction effect becomes remarkable.

また、図1で示されたMRAM1と比較して、本実施の形態に係るMRAM10は、SRAM(Static RAM)との互換性が向上している。それは、SRAMでは、2種類のリファレンスセルに相補データを書き込んだり、R0とR1の中間値と比較してメモリ状態を判定することはないからである。   Compared with the MRAM 1 shown in FIG. 1, the MRAM 10 according to the present embodiment has improved compatibility with an SRAM (Static RAM). This is because in the SRAM, complementary data is not written into two types of reference cells, and the memory state is not determined by comparison with an intermediate value between R0 and R1.

尚、磁気抵抗素子に限らず、抵抗値がR0.5に固定された素子であれば何でもリファレンスセルRCに適用され得る。例えば、抵抗値がR0.5であるポリシリコン抵抗を形成することが考えられる。但し、メモリセルMCとリファレンスセルRCが同様の構造を含んでいることが、製造プロセスの観点からは好ましい。従って、磁気抵抗素子がリファレンスセルRCに適用されることが好適である。以下、抵抗値がR0.5に固定された磁気抵抗素子を実現するための様々な例を詳しく説明する。   Not only the magnetoresistive element but also any element whose resistance value is fixed to R0.5 can be applied to the reference cell RC. For example, it is conceivable to form a polysilicon resistor having a resistance value of R0.5. However, it is preferable from the viewpoint of the manufacturing process that the memory cell MC and the reference cell RC include the same structure. Therefore, it is preferable that the magnetoresistive element is applied to the reference cell RC. Hereinafter, various examples for realizing a magnetoresistive element whose resistance value is fixed to R0.5 will be described in detail.

1.第1の実施の形態
1−1.基本構成
図3は、本発明の第1の実施の形態に係るメモリセルMC及びリファレンスセルRCの構造を示している。
1. 1. First embodiment 1-1. Basic Configuration FIG. 3 shows the structure of the memory cell MC and the reference cell RC according to the first embodiment of the present invention.

メモリセルMCは、第1磁気抵抗素子100を含んでいる。第1磁気抵抗素子100は、磁化固定層110、トンネルバリヤ層120及び磁化自由層130を有している。磁化固定層110及び磁化自由層130は強磁性層であり、その材料としてはFe、Co、Niが挙げられる。一方、トンネルバリヤ層120は非磁性層であり、例えばAl膜やMgO膜等の薄い絶縁膜である。トンネルバリヤ層120は磁化固定層110と磁化自由層130に挟まれており、それら磁化固定層110、トンネルバリヤ層120及び磁化自由層130によってMTJが形成されている。 The memory cell MC includes the first magnetoresistive element 100. The first magnetoresistive element 100 includes a magnetization fixed layer 110, a tunnel barrier layer 120, and a magnetization free layer 130. The magnetization fixed layer 110 and the magnetization free layer 130 are ferromagnetic layers, and materials thereof include Fe, Co, and Ni. On the other hand, the tunnel barrier layer 120 is a nonmagnetic layer, and is a thin insulating film such as an Al 2 O 3 film or an MgO film. The tunnel barrier layer 120 is sandwiched between the magnetization fixed layer 110 and the magnetization free layer 130, and the MTJ is formed by the magnetization fixed layer 110, the tunnel barrier layer 120, and the magnetization free layer 130.

磁化固定層110及び磁化自由層130は面内磁気異方性を有している。このうち磁化固定層110の磁化方向は、面内の一方向に固定されている。例えば図3において、磁化固定層110の磁化方向は+Y方向に固定されている。このような磁化方向の固定は、例えば、磁化固定層110に反強磁性体層を隣接させることによって可能である。また、磁化が反平行結合した積層膜(積層フェリ結合膜)を磁化固定層110に適用することもできる。一方、磁化自由層130(磁化反転領域)の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層110の磁化方向と平行あるいは反平行となる。図3において、磁化自由層130の磁化容易軸はY方向と平行であり、磁化自由層130の磁化方向は+Y方向あるいは−Y方向となり得る。特に図3では、磁化自由層130の平面形状は楕円形であり、その楕円形の長軸がY方向に沿っている。   The magnetization fixed layer 110 and the magnetization free layer 130 have in-plane magnetic anisotropy. Among these, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110 is fixed in one direction in the plane. For example, in FIG. 3, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110 is fixed in the + Y direction. Such a magnetization direction can be fixed, for example, by making an antiferromagnetic layer adjacent to the magnetization fixed layer 110. In addition, a laminated film (laminated ferri-coupled film) whose magnetizations are antiparallel coupled can be applied to the magnetization fixed layer 110. On the other hand, the magnetization direction of the magnetization free layer 130 (magnetization switching region) is reversible, and is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110. In FIG. 3, the magnetization easy axis of the magnetization free layer 130 is parallel to the Y direction, and the magnetization direction of the magnetization free layer 130 can be the + Y direction or the −Y direction. In particular, in FIG. 3, the planar shape of the magnetization free layer 130 is an ellipse, and the major axis of the ellipse is along the Y direction.

磁化自由層130の磁化方向が+Y方向の場合、すなわち、磁化固定層110と磁化自由層130の磁化方向が平行の場合、第1磁気抵抗素子100の抵抗値は“R0”である。一方、磁化自由層130の磁化方向が−Y方向の場合、すなわち、磁化固定層110と磁化自由層130の磁化方向が反平行の場合、第1磁気抵抗素子100の抵抗値は“R0”より大きい“R1”である。たとえば、抵抗値“R0”はデータ“0”に対応付けられ、抵抗値“R1”はデータ“1”に対応付けられる。   When the magnetization direction of the magnetization free layer 130 is the + Y direction, that is, when the magnetization directions of the magnetization fixed layer 110 and the magnetization free layer 130 are parallel, the resistance value of the first magnetoresistance element 100 is “R0”. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization free layer 130 is the −Y direction, that is, when the magnetization directions of the magnetization fixed layer 110 and the magnetization free layer 130 are antiparallel, the resistance value of the first magnetoresistive element 100 is “R0”. Large “R1”. For example, the resistance value “R0” is associated with data “0”, and the resistance value “R1” is associated with data “1”.

一方、リファレンスセルRCは、第1磁気抵抗素子100と異なる第2磁気抵抗素子150を含んでいる。第2磁気抵抗素子150は、磁化固定層160、トンネルバリヤ層170及び磁化自由層180を有している。磁化固定層160及び磁化自由層180は強磁性層であり、その材料としてはFe、Co、Niが挙げられる。一方、トンネルバリヤ層170は非磁性層であり、例えばAl膜やMgO膜等の薄い絶縁膜である。トンネルバリヤ層170は磁化固定層160と磁化自由層180に挟まれており、それら磁化固定層160、トンネルバリヤ層170及び磁化自由層180によってMTJが形成されている。 On the other hand, the reference cell RC includes a second magnetoresistive element 150 different from the first magnetoresistive element 100. The second magnetoresistive element 150 includes a magnetization fixed layer 160, a tunnel barrier layer 170, and a magnetization free layer 180. The magnetization fixed layer 160 and the magnetization free layer 180 are ferromagnetic layers, and materials thereof include Fe, Co, and Ni. On the other hand, the tunnel barrier layer 170 is a nonmagnetic layer, and is a thin insulating film such as an Al 2 O 3 film or an MgO film. The tunnel barrier layer 170 is sandwiched between the magnetization fixed layer 160 and the magnetization free layer 180, and the MTJ is formed by the magnetization fixed layer 160, the tunnel barrier layer 170, and the magnetization free layer 180.

磁化固定層160及び磁化自由層180は面内磁気異方性を有している。このうち磁化固定層160の磁化方向は、面内の一方向に固定されている。例えば図3において、磁化固定層160の磁化方向は+Y’方向に固定されている。このような磁化方向の固定は、第1磁気抵抗素子100の磁化固定層110の場合と同様に可能である。   The magnetization fixed layer 160 and the magnetization free layer 180 have in-plane magnetic anisotropy. Among these, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160 is fixed in one direction in the plane. For example, in FIG. 3, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160 is fixed in the + Y ′ direction. Such a magnetization direction can be fixed as in the case of the magnetization fixed layer 110 of the first magnetoresistive element 100.

本実施の形態によれば、磁化自由層180(磁化領域)の磁化容易軸は、磁化固定層160の磁化方向と直交している。図3で示された例では、磁化自由層180の磁化容易軸はX’方向に平行である。特に図3では、磁化自由層180の平面形状は楕円形であり、その楕円形の長軸がX’方向に沿っている。その結果、磁化自由層180の磁化方向はX’方向と平行となり、磁化固定層160の磁化方向と直交する。従って、第2磁気抵抗素子150の抵抗値は、上記R0とR1の間の中間値“R0.5”となる。このように、磁化自由層180は、その磁化容易軸が磁化固定層160の磁化方向と直交するように形成される。つまり、第2磁気抵抗素子150は、抵抗値がR0.5となるようにあらかじめ形成されている。   According to the present embodiment, the easy axis of magnetization free layer 180 (magnetization region) is orthogonal to the magnetization direction of magnetization fixed layer 160. In the example shown in FIG. 3, the easy axis of magnetization free layer 180 is parallel to the X ′ direction. In particular, in FIG. 3, the planar shape of the magnetization free layer 180 is an ellipse, and the major axis of the ellipse is along the X ′ direction. As a result, the magnetization direction of the magnetization free layer 180 is parallel to the X ′ direction and orthogonal to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160. Therefore, the resistance value of the second magnetoresistive element 150 is an intermediate value “R0.5” between R0 and R1. Thus, the magnetization free layer 180 is formed so that the easy axis of magnetization is orthogonal to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160. That is, the second magnetoresistive element 150 is formed in advance so that the resistance value is R0.5.

また、図4に示されるような第2磁気抵抗素子150も可能である。図4の例では、磁化自由層180の磁化容易軸はY’方向に平行であり、磁化固定層160の磁化方向は+X’方向に固定されている。この場合でも、磁化自由層180の磁化方向と磁化固定層160の磁化方向が直交し、R0.5が実現される。   A second magnetoresistive element 150 as shown in FIG. 4 is also possible. In the example of FIG. 4, the magnetization easy axis of the magnetization free layer 180 is parallel to the Y ′ direction, and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160 is fixed in the + X ′ direction. Even in this case, the magnetization direction of the magnetization free layer 180 and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160 are orthogonal, and R0.5 is realized.

尚、第1磁気抵抗素子のX−Y−Z座標系と第2磁気抵抗素子のX’−Y’−Z’座標系とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。つまり、X軸、Y軸、及びZ軸は、それぞれX’軸、Y’軸及びZ’軸と平行であってもよいし、平行でなくてもよい。例えば、X軸はY’軸と平行であり、Y軸はX’軸と反平行であり、Z軸はZ’軸と平行であってもよい。このことは、後に説明される実施の形態でも同様である。   The XYZ coordinate system of the first magnetoresistive element and the X′-Y′-Z ′ coordinate system of the second magnetoresistive element may be the same or different. That is, the X axis, Y axis, and Z axis may or may not be parallel to the X ′ axis, Y ′ axis, and Z ′ axis, respectively. For example, the X axis may be parallel to the Y ′ axis, the Y axis may be antiparallel to the X ′ axis, and the Z axis may be parallel to the Z ′ axis. This also applies to embodiments described later.

また、図3及び図4で示された例において、第1磁気抵抗素子100の各層と第2磁気抵抗素子150の各層は同じ層に形成されていることが好適である。具体的には、磁化固定層110と磁化固定層160は同じ層に形成され、トンネルバリヤ層120とトンネルバリヤ層170は同じ層に形成され、磁化自由層130と磁化自由層180は同じ層に形成される。この場合、Z軸とZ’軸が平行であることが好適である。   In the example shown in FIGS. 3 and 4, each layer of the first magnetoresistive element 100 and each layer of the second magnetoresistive element 150 are preferably formed in the same layer. Specifically, the magnetization fixed layer 110 and the magnetization fixed layer 160 are formed in the same layer, the tunnel barrier layer 120 and the tunnel barrier layer 170 are formed in the same layer, and the magnetization free layer 130 and the magnetization free layer 180 are formed in the same layer. It is formed. In this case, it is preferable that the Z-axis and the Z′-axis are parallel.

データ読み出し時には、各MTJを貫通するように読み出し電流が流される。メモリセルMCに関しては、磁化固定層110と磁化自由層130との間に読み出し電流が流される。これにより、記録データ(R0あるいはR1)に応じた読み出しレベルが生成される。リファレンスセルRCに関しては、磁化固定層160と磁化自由層180との間に読み出し電流が流される。これにより、R0.5に応じたリファレンスレベルが生成される。読み出しレベルとリファレンスレベルとを比較することにより、メモリセルMCの記録データが判別される。   When data is read, a read current is passed through each MTJ. As for the memory cell MC, a read current flows between the magnetization fixed layer 110 and the magnetization free layer 130. As a result, a read level corresponding to the recording data (R0 or R1) is generated. With respect to the reference cell RC, a read current flows between the magnetization fixed layer 160 and the magnetization free layer 180. Thereby, the reference level according to R0.5 is generated. By comparing the read level with the reference level, the recording data of the memory cell MC is determined.

本実施の形態において、メモリセルMCに対するデータ書き込み方式として以下のものが考えられる。   In the present embodiment, the following can be considered as a method of writing data to the memory cell MC.

1−2.磁界書き込み型
図5は、本実施の形態が磁界書き込み型に適用された場合を示している。磁界書き込み型の場合、メモリセルMCの第1磁気抵抗素子100の近傍に書き込み配線140が設けられる。データ書き込み時、書き込み配線140には書き込み電流が流れ、その書き込み電流により発生する磁界が磁化自由層130に印加される。磁化自由層130に印加される磁界は、磁化固定層110の磁化方向と平行あるいは反平行な成分を含む。
1-2. Magnetic Field Writing Type FIG. 5 shows a case where the present embodiment is applied to a magnetic field writing type. In the case of the magnetic field writing type, the write wiring 140 is provided in the vicinity of the first magnetoresistive element 100 of the memory cell MC. At the time of data writing, a write current flows through the write wiring 140 and a magnetic field generated by the write current is applied to the magnetization free layer 130. The magnetic field applied to the magnetization free layer 130 includes a component parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110.

図5の例では、磁化固定層110の磁化方向は+Y方向に固定されている。また、X方向に延在する書き込み配線140が第1磁気抵抗素子100の上方に設けられており、書き込み電流は書き込みデータに応じて+X方向あるいは−X方向に流れる。具体的には、データ“1”の書き込み時、第1書き込み電流IW1が−X方向に流れ、−Y方向の磁界が磁化自由層130に印加される。その結果、磁化自由層130の磁化方向が−Y方向に向く。一方、データ“0”の書き込み時、第2書き込み電流IW2が+X方向に流れ、+Y方向の磁界が磁化自由層130に印加される。その結果、磁化自由層130の磁化方向が+Y方向に向く。   In the example of FIG. 5, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110 is fixed in the + Y direction. A write wiring 140 extending in the X direction is provided above the first magnetoresistive element 100, and a write current flows in the + X direction or the -X direction depending on the write data. Specifically, when data “1” is written, the first write current IW1 flows in the −X direction, and a magnetic field in the −Y direction is applied to the magnetization free layer 130. As a result, the magnetization direction of the magnetization free layer 130 is oriented in the −Y direction. On the other hand, when data “0” is written, the second write current IW2 flows in the + X direction, and a magnetic field in the + Y direction is applied to the magnetization free layer 130. As a result, the magnetization direction of the magnetization free layer 130 is directed to the + Y direction.

1−3.スピン注入型
図6は、第1の実施の形態がスピン注入型に適用された場合を示している。スピン注入型の場合、データ書き込み時の書き込み電流もMTJを貫通するように流される。つまり、書き込み電流は、トンネルバリヤ層120を通して磁化固定層110と磁化自由層130との間に流れる。
1-3. Spin Injection Type FIG. 6 shows a case where the first embodiment is applied to a spin injection type. In the case of the spin injection type, a write current at the time of data writing is also passed through the MTJ. That is, the write current flows between the magnetization fixed layer 110 and the magnetization free layer 130 through the tunnel barrier layer 120.

図6の例では、磁化固定層110の磁化方向は+Y方向に固定されている。また、端子T110、T130が磁化固定層110及び磁化自由層130のそれぞれに電気的に接続されている。データ“1”の書き込み時、第1書き込み電流IW1が端子T110から端子T130に流れる。この場合、磁化固定層110と同じスピン状態を有する電子が、磁化自由層130から磁化固定層110に移動する。スピントランスファーにより、磁化自由層130の磁化方向が−Y方向に反転する。一方、データ“0”の書き込み時、第2書き込み電流IW2が端子T130から端子T110に流れる。この場合、磁化固定層110と同じスピン状態を有する電子が、磁化固定層110から磁化自由層130に移動する。スピントランスファーにより、磁化自由層130の磁化方向が+Y方向に反転する。   In the example of FIG. 6, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110 is fixed in the + Y direction. The terminals T110 and T130 are electrically connected to the magnetization fixed layer 110 and the magnetization free layer 130, respectively. When data “1” is written, the first write current IW1 flows from the terminal T110 to the terminal T130. In this case, electrons having the same spin state as the magnetization fixed layer 110 move from the magnetization free layer 130 to the magnetization fixed layer 110. The magnetization direction of the magnetization free layer 130 is reversed to the −Y direction by spin transfer. On the other hand, when data “0” is written, the second write current IW2 flows from the terminal T130 to the terminal T110. In this case, electrons having the same spin state as the magnetization fixed layer 110 move from the magnetization fixed layer 110 to the magnetization free layer 130. The magnetization direction of the magnetization free layer 130 is reversed in the + Y direction by spin transfer.

1−4.磁壁移動型
図7は、第1の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセルMC及びリファレンスセルRCの構造を示している。磁壁移動型の場合、磁化自由層には磁壁が形成され、書き込みデータに応じて磁壁が移動する。
1-4. FIG. 7 shows the structure of the memory cell MC and the reference cell RC when the first embodiment is applied to the domain wall motion type. In the domain wall motion type, a domain wall is formed in the magnetization free layer, and the domain wall moves in accordance with the write data.

メモリセルMCにおいて、第1磁気抵抗素子100の磁化自由層130は、第1磁化固定領域131、第2磁化固定領域132、及び第1磁化固定領域131と第2磁化固定領域132の間をつなぐ磁化反転領域133を含んでいる。第1磁化固定領域131は磁化反転領域133の境界B1に接続され、第2磁化固定領域132は磁化反転領域133の境界B2に接続されている。図7において、第1磁化固定領域131、第2磁化固定領域132及び磁化反転領域133は直線状に形成されている。また、境界B1に隣接してノッチ134が形成され、境界B2に隣接してノッチ135が形成されている。   In the memory cell MC, the magnetization free layer 130 of the first magnetoresistive element 100 connects the first magnetization fixed region 131, the second magnetization fixed region 132, and the first magnetization fixed region 131 and the second magnetization fixed region 132. The magnetization switching region 133 is included. The first magnetization fixed region 131 is connected to the boundary B1 of the magnetization switching region 133, and the second magnetization fixed region 132 is connected to the boundary B2 of the magnetization switching region 133. In FIG. 7, the first magnetization fixed region 131, the second magnetization fixed region 132, and the magnetization switching region 133 are formed in a straight line. A notch 134 is formed adjacent to the boundary B1, and a notch 135 is formed adjacent to the boundary B2.

磁化固定層110は、磁化自由層130のうち磁化反転領域133とオーバーラップしており、磁化固定層110とトンネルバリヤ層120と磁化反転領域133によってMTJが形成される。図7の例において、磁化固定層110の磁化方向は+X方向に固定されている。   The magnetization fixed layer 110 overlaps the magnetization switching region 133 in the magnetization free layer 130, and an MTJ is formed by the magnetization fixed layer 110, the tunnel barrier layer 120, and the magnetization switching region 133. In the example of FIG. 7, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110 is fixed in the + X direction.

磁化自由層130において、磁化反転領域133の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層110の磁化方向と平行あるいは反平行となる。図7において、磁化反転領域133の磁化容易軸はX方向と平行であり、磁化反転領域133の磁化方向は+X方向あるいは−X方向となり得る。一方、第1磁化固定領域131及び第2磁化固定領域132の磁化方向は共に、磁化反転領域133へ向かう方向、あるいは、磁化反転領域133から離れる方向に固定されている。図7の例では、第1磁化固定領域131の磁化方向は磁化反転領域133(境界B1)へ向かう+X方向に固定されており、第2磁化固定領域132の磁化方向は磁化反転領域133(境界B2)へ向かう−X方向に固定されている。つまり、第1磁化固定領域131と第2磁化固定領域132の磁化は、逆方向に固定されている。磁化の固定は、静磁結合や交換結合により実現可能である。   In the magnetization free layer 130, the magnetization direction of the magnetization switching region 133 can be reversed, and is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110. In FIG. 7, the magnetization easy axis of the magnetization switching region 133 is parallel to the X direction, and the magnetization direction of the magnetization switching region 133 can be the + X direction or the −X direction. On the other hand, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 131 and the second magnetization fixed region 132 are both fixed to the direction toward the magnetization switching region 133 or away from the magnetization switching region 133. In the example of FIG. 7, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 131 is fixed in the + X direction toward the magnetization switching region 133 (boundary B1), and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 132 is the magnetization switching region 133 (boundary). It is fixed in the -X direction toward B2). That is, the magnetizations of the first magnetization fixed region 131 and the second magnetization fixed region 132 are fixed in opposite directions. The magnetization can be fixed by magnetostatic coupling or exchange coupling.

磁化反転領域133の磁化方向が+X方向の場合、境界B2に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域133と磁化固定層110の磁化方向は平行であり、第1磁気抵抗素子100の抵抗値は“R0”である。つまり、境界B2に磁壁が位置している状態がデータ“0”に相当する。一方、磁化反転領域133の磁化方向が−X方向の場合、境界B1に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域133と磁化固定層110の磁化方向は反平行であり、第1磁気抵抗素子100の抵抗値は“R1”である。つまり、境界B1に磁壁が位置している状態がデータ“1”に相当する。ノッチ134、135はそれぞれ、境界B1、B2に磁壁を安定的に留めるために形成されている。   When the magnetization direction of the magnetization switching region 133 is the + X direction, a domain wall is formed at the boundary B2. At this time, the magnetization directions of the magnetization switching region 133 and the magnetization fixed layer 110 are parallel, and the resistance value of the first magnetoresistance element 100 is “R0”. That is, the state where the domain wall is located at the boundary B2 corresponds to the data “0”. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization switching region 133 is the −X direction, a domain wall is formed at the boundary B1. At this time, the magnetization directions of the magnetization switching region 133 and the magnetization fixed layer 110 are antiparallel, and the resistance value of the first magnetoresistance element 100 is “R1”. That is, the state where the domain wall is located at the boundary B1 corresponds to the data “1”. The notches 134 and 135 are formed in order to stably fix the domain wall at the boundaries B1 and B2, respectively.

リファレンスセルRCの第2磁気抵抗素子150は、第1磁気抵抗素子100とほぼ同じ構造を有している。つまり、第2磁気抵抗素子150の磁化自由層180は、第1磁化固定領域181、第2磁化固定領域182、及び第1磁化固定領域181と第2磁化固定領域182の間をつなぐ磁化領域183を含んでいる。第1磁化固定領域181は磁化領域183の境界B3に接続され、第2磁化固定領域182は磁化領域183の境界B4に接続されている。図7において、第1磁化固定領域181、第2磁化固定領域182及び磁化領域183は直線状に形成されている。また、境界B3に隣接してノッチ184が形成され、境界B4に隣接してノッチ185が形成されている。   The second magnetoresistive element 150 of the reference cell RC has substantially the same structure as the first magnetoresistive element 100. That is, the magnetization free layer 180 of the second magnetoresistive element 150 includes the first magnetization fixed region 181, the second magnetization fixed region 182, and the magnetization region 183 that connects the first magnetization fixed region 181 and the second magnetization fixed region 182. Is included. The first magnetization fixed region 181 is connected to the boundary B3 of the magnetization region 183, and the second magnetization fixed region 182 is connected to the boundary B4 of the magnetization region 183. In FIG. 7, the first magnetization fixed region 181, the second magnetization fixed region 182, and the magnetization region 183 are linearly formed. A notch 184 is formed adjacent to the boundary B3, and a notch 185 is formed adjacent to the boundary B4.

磁化自由層180において、磁化領域183の磁化容易軸はX’方向と平行であり、磁化領域183の磁化方向は+X’方向あるいは−X’方向である。第1磁化固定領域181及び第2磁化固定領域182の磁化方向は共に、磁化領域183へ向かう方向、あるいは、磁化領域183から離れる方向に固定されている。図7の例では、第1磁化固定領域181の磁化方向は磁化領域183(境界B3)へ向かう+X’方向に固定されており、第2磁化固定領域182の磁化方向は磁化領域183(境界B4)へ向かう−X’方向に固定されている。つまり、第1磁化固定領域181と第2磁化固定領域182の磁化は、逆方向に固定されている。磁化の固定は、静磁結合や交換結合により実現可能である。   In the magnetization free layer 180, the magnetization easy axis of the magnetization region 183 is parallel to the X ′ direction, and the magnetization direction of the magnetization region 183 is the + X ′ direction or the −X ′ direction. The magnetization directions of the first magnetization fixed region 181 and the second magnetization fixed region 182 are both fixed toward the magnetization region 183 or away from the magnetization region 183. In the example of FIG. 7, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 181 is fixed in the + X ′ direction toward the magnetization region 183 (boundary B3), and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 182 is the magnetization region 183 (boundary B4). It is fixed in the −X ′ direction toward That is, the magnetizations of the first magnetization fixed region 181 and the second magnetization fixed region 182 are fixed in opposite directions. The magnetization can be fixed by magnetostatic coupling or exchange coupling.

磁化固定層160は、磁化自由層180のうち磁化領域183とオーバーラップしており、磁化固定層160とトンネルバリヤ層170と磁化領域183によってMTJが形成される。第2磁気抵抗素子150と第1磁気抵抗素子100の差は、磁化固定層の磁化方向である。つまり、第2磁気抵抗素子150において、磁化固定層160の磁化方向は、磁化領域183の磁化容易軸と直交する方向に固定されている。図7の例では、磁化固定層160の磁化方向は+Y’方向に固定されている。これにより、第2磁気抵抗素子150の抵抗値は、上記R0とR1の間の中間値“R0.5”となる。   The magnetization fixed layer 160 overlaps the magnetization region 183 in the magnetization free layer 180, and an MTJ is formed by the magnetization fixed layer 160, the tunnel barrier layer 170, and the magnetization region 183. The difference between the second magnetoresistive element 150 and the first magnetoresistive element 100 is the magnetization direction of the magnetization fixed layer. That is, in the second magnetoresistive element 150, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160 is fixed in a direction orthogonal to the easy magnetization axis of the magnetization region 183. In the example of FIG. 7, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160 is fixed in the + Y ′ direction. As a result, the resistance value of the second magnetoresistive element 150 becomes an intermediate value “R0.5” between R0 and R1.

図8は、磁壁移動型の場合のデータ書き込みを示している。磁壁移動型の場合、書き込み電流は、MTJを貫通する方向ではなく、磁化自由層130内を平面的に流れる。そのため、端子T131、T132が、磁化自由層130の第1磁化固定領域131及び第2磁化固定領域132のそれぞれに電気的に接続されている。   FIG. 8 shows data writing in the domain wall motion type. In the domain wall motion type, the write current flows in a plane in the magnetization free layer 130, not in the direction penetrating the MTJ. Therefore, the terminals T131 and T132 are electrically connected to the first magnetization fixed region 131 and the second magnetization fixed region 132 of the magnetization free layer 130, respectively.

データ“0”からデータ“1”への遷移時、第1書き込み電流IW1が端子T131から端子T132に流れる。この場合、磁化反転領域133には第2磁化固定領域132から電子(スピン電子)が注入される。スピントランスファーにより、電子の移動方向と一致して、磁壁は境界B2から境界B1へ移動し、磁化反転領域133の磁化方向が−X方向に反転する。一方、データ“1”からデータ“0”への遷移時、第2書き込み電流IW2が端子T132から端子T131に流れる。この場合、磁化反転領域133には第1磁化固定領域131から電子(スピン電子)が注入される。スピントランスファーにより、電子の移動方向と一致して、磁壁は境界B1から境界B2へ移動し、磁化反転領域133の磁化方向が+X方向に反転する。このように、書き込み電流IW1、IW2は磁化自由層130内を流れ、その磁化自由層130内の磁壁が境界B1と境界B2との間を移動する(電流駆動磁壁移動:Current-Driven Domain Wall Motion)。   During a transition from data “0” to data “1”, the first write current IW1 flows from the terminal T131 to the terminal T132. In this case, electrons (spin electrons) are injected from the second magnetization fixed region 132 into the magnetization switching region 133. By spin transfer, the domain wall moves from the boundary B2 to the boundary B1 in accordance with the moving direction of the electrons, and the magnetization direction of the magnetization switching region 133 is reversed in the −X direction. On the other hand, at the time of transition from data “1” to data “0”, the second write current IW2 flows from the terminal T132 to the terminal T131. In this case, electrons (spin electrons) are injected from the first magnetization fixed region 131 into the magnetization switching region 133. By spin transfer, the domain wall moves from the boundary B1 to the boundary B2 in accordance with the moving direction of the electrons, and the magnetization direction of the magnetization switching region 133 is reversed in the + X direction. Thus, the write currents IW1 and IW2 flow in the magnetization free layer 130, and the domain wall in the magnetization free layer 130 moves between the boundary B1 and the boundary B2 (current-driven domain wall motion: Current-Driven Domain Wall Motion ).

図9は、磁壁移動型の場合のメモリセルMCとリファレンスセルRCの変形例を示している。本変形例によれば、磁化自由層130の第1磁化固定領域131、第2磁化固定領域132及び磁化反転領域133は、U字状に形成されている。この場合でも、第1磁化固定領域131及び第2磁化固定領域132の磁化方向は共に、磁化反転領域133へ向かう方向、あるいは、磁化反転領域133から離れる方向に固定されている。但し、U字状の場合、第1磁化固定領域131と第2磁化固定領域132の磁化方向は同じになる。図9の例では、第1磁化固定領域131の磁化方向は磁化反転領域133(境界B1)へ向かう−Y方向に固定されており、第2磁化固定領域132の磁化方向も磁化反転領域133(境界B2)へ向かう−Y方向に固定されている。尚、磁化の固定は、静磁結合や交換結合の他、形状磁気異方性によっても実現可能である。   FIG. 9 shows a modification of the memory cell MC and the reference cell RC in the domain wall motion type. According to this modification, the first magnetization fixed region 131, the second magnetization fixed region 132, and the magnetization switching region 133 of the magnetization free layer 130 are formed in a U shape. Even in this case, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 131 and the second magnetization fixed region 132 are both fixed in the direction toward the magnetization switching region 133 or away from the magnetization switching region 133. However, in the case of the U shape, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 131 and the second magnetization fixed region 132 are the same. In the example of FIG. 9, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 131 is fixed in the −Y direction toward the magnetization switching region 133 (boundary B <b> 1), and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 132 is also the magnetization switching region 133 ( It is fixed in the -Y direction towards the boundary B2). The magnetization can be fixed not only by magnetostatic coupling or exchange coupling but also by shape magnetic anisotropy.

リファレンスセルRCに関しても同様である。磁化自由層180の第1磁化固定領域181、第2磁化固定領域182及び磁化領域183は、U字状に形成されている。この場合でも、第1磁化固定領域181及び第2磁化固定領域182の磁化方向は共に、磁化領域183へ向かう方向、あるいは、磁化領域183から離れる方向に固定されている。その他は、既出の図7で示された例と同じである。磁化固定層160の磁化方向と磁化領域183の磁化方向が互いに直交するため、第2磁気抵抗素子150の抵抗値は“R0.5”となる。   The same applies to the reference cell RC. The first magnetization fixed region 181, the second magnetization fixed region 182, and the magnetization region 183 of the magnetization free layer 180 are formed in a U shape. Even in this case, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 181 and the second magnetization fixed region 182 are both fixed toward the magnetization region 183 or away from the magnetization region 183. Others are the same as the example shown in FIG. Since the magnetization direction of the magnetization fixed layer 160 and the magnetization direction of the magnetization region 183 are orthogonal to each other, the resistance value of the second magnetoresistive element 150 is “R0.5”.

2.第2の実施の形態
2−1.基本構成
図10は、本発明の第2の実施の形態に係るメモリセルMC及びリファレンスセルRCの構造を示している。第2の実施の形態では、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜が用いられる。垂直磁化膜は、Fe、Co、Niのうちから選択される少なくとも一つ以上を含むことが望ましい。さらに、PtやPdを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、B、C、N、O、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Smなどを添加することによって、所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。好適な垂直磁化膜としてCo−Pt−Crの合金が例示される。
2. Second embodiment 2-1. Basic Configuration FIG. 10 shows the structure of a memory cell MC and a reference cell RC according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy is used. The perpendicular magnetization film preferably includes at least one selected from Fe, Co, and Ni. Furthermore, perpendicular magnetic anisotropy can be stabilized by including Pt and Pd. In addition to this, B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W , Re, Os, Ir, Au, Sm and the like can be added so that desired magnetic properties can be expressed. An example of a suitable perpendicular magnetization film is a Co—Pt—Cr alloy.

メモリセルMCは、第1磁気抵抗素子200を含んでいる。第1磁気抵抗素子200は、磁化固定層210、トンネルバリヤ層220及び磁化自由層230を有している。トンネルバリヤ層220は磁化固定層210と磁化自由層230に挟まれており、それら磁化固定層210、トンネルバリヤ層220及び磁化自由層230によってMTJが形成されている。   The memory cell MC includes a first magnetoresistive element 200. The first magnetoresistive element 200 includes a magnetization fixed layer 210, a tunnel barrier layer 220, and a magnetization free layer 230. The tunnel barrier layer 220 is sandwiched between the magnetization fixed layer 210 and the magnetization free layer 230, and the MTJ is formed by the magnetization fixed layer 210, the tunnel barrier layer 220, and the magnetization free layer 230.

磁化固定層210及び磁化自由層230は垂直磁気異方性を有している。このうち磁化固定層210の磁化方向は一方向に固定されている。一方、磁化自由層230(磁化反転領域)の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層210の磁化方向と平行あるいは反平行となる。例えば図10において、磁化固定層210の磁化方向は+Z方向に固定されており、磁化自由層230の磁化方向は+Z方向あるいは−Z方向となり得る。磁化自由層230の磁化方向が+Z方向の場合、すなわち、磁化固定層210と磁化自由層230の磁化方向が平行の場合、第1磁気抵抗素子200の抵抗値は“R0”である。一方、磁化自由層230の磁化方向が−Z方向の場合、すなわち、磁化固定層210と磁化自由層230の磁化方向が反平行の場合、第1磁気抵抗素子200の抵抗値は“R1”である。   The magnetization fixed layer 210 and the magnetization free layer 230 have perpendicular magnetic anisotropy. Among these, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 210 is fixed to one direction. On the other hand, the magnetization direction of the magnetization free layer 230 (magnetization reversal region) can be reversed, and is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 210. For example, in FIG. 10, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 210 is fixed in the + Z direction, and the magnetization direction of the magnetization free layer 230 can be the + Z direction or the −Z direction. When the magnetization direction of the magnetization free layer 230 is the + Z direction, that is, when the magnetization directions of the magnetization fixed layer 210 and the magnetization free layer 230 are parallel, the resistance value of the first magnetoresistive element 200 is “R0”. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization free layer 230 is the −Z direction, that is, when the magnetization directions of the magnetization fixed layer 210 and the magnetization free layer 230 are antiparallel, the resistance value of the first magnetoresistive element 200 is “R1”. is there.

一方、リファレンスセルRCは、第1磁気抵抗素子200と異なる第2磁気抵抗素子250を含んでいる。第2磁気抵抗素子250は、磁化固定層260、トンネルバリヤ層270及び磁化自由層280を有している。トンネルバリヤ層270は磁化固定層260と磁化自由層280に挟まれており、それら磁化固定層260、トンネルバリヤ層270及び磁化自由層280によってMTJが形成されている。   On the other hand, the reference cell RC includes a second magnetoresistive element 250 different from the first magnetoresistive element 200. The second magnetoresistive element 250 includes a magnetization fixed layer 260, a tunnel barrier layer 270, and a magnetization free layer 280. The tunnel barrier layer 270 is sandwiched between the magnetization fixed layer 260 and the magnetization free layer 280, and the MTJ is formed by the magnetization fixed layer 260, the tunnel barrier layer 270, and the magnetization free layer 280.

磁化固定層260及び磁化自由層280は垂直磁気異方性を有している。但し、本実施の形態によれば、磁化固定層260と磁化自由層280のいずれか一方の磁化が、何らかの手段によって面内方向に向けられる。何らかの手段としては、垂直磁化膜の厚さを薄くして、垂直磁気異方性を劣化させることが考えられる。あるいは、面内磁気異方性を有する強磁性膜または反強磁性膜を隣接させることが考えられる。   The magnetization fixed layer 260 and the magnetization free layer 280 have perpendicular magnetic anisotropy. However, according to the present embodiment, the magnetization of either the magnetization fixed layer 260 or the magnetization free layer 280 is directed in the in-plane direction by some means. As some means, it is conceivable to reduce the perpendicular magnetic anisotropy by reducing the thickness of the perpendicular magnetization film. Alternatively, a ferromagnetic film or an antiferromagnetic film having in-plane magnetic anisotropy may be adjacent.

例えば図10において、面内磁気異方性を有する面内磁化膜290(例:反強磁性膜)が磁化自由層280に隣接して形成されている。面内磁化膜290は、磁化自由層280と反強磁性的あるいは強磁性的に結合している。その結果、磁化自由層280(磁化領域)の磁化が面内方向を向く。図10の例では、磁化自由層280の磁化方向は+X’方向である。一方、磁化固定層260の磁化方向は+Z’方向に固定されている。すなわち、第2磁気抵抗素子250において、磁化自由層280の磁化方向と磁化固定層260の磁化方向が互いに直交している。従って、第2磁気抵抗素子250の抵抗値は、上記R0とR1の間の中間値“R0.5”となる。   For example, in FIG. 10, an in-plane magnetization film 290 (for example, an antiferromagnetic film) having in-plane magnetic anisotropy is formed adjacent to the magnetization free layer 280. The in-plane magnetization film 290 is antiferromagnetically or ferromagnetically coupled to the magnetization free layer 280. As a result, the magnetization of the magnetization free layer 280 (magnetization region) is directed in the in-plane direction. In the example of FIG. 10, the magnetization direction of the magnetization free layer 280 is the + X ′ direction. On the other hand, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 260 is fixed in the + Z ′ direction. That is, in the second magnetoresistive element 250, the magnetization direction of the magnetization free layer 280 and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 260 are orthogonal to each other. Therefore, the resistance value of the second magnetoresistive element 250 is an intermediate value “R0.5” between R0 and R1.

また、図11において、面内磁気異方性を有する面内磁化膜290(例:反強磁性膜)が磁化固定層260に隣接して形成されている。面内磁化膜290は、磁化固定層260と反強磁性的あるいは強磁性的に結合している。その結果、磁化固定層260の磁化が面内方向を向く。図11の例では、磁化固定層260の磁化方向は+X’方向である。一方、磁化自由層280の磁化方向は−Z’方向である。すなわち、第2磁気抵抗素子250において、磁化自由層280の磁化方向と磁化固定層260の磁化方向が互いに直交している。従って、第2磁気抵抗素子250の抵抗値は、上記R0とR1の間の中間値“R0.5”となる。   In FIG. 11, an in-plane magnetization film 290 (for example, an antiferromagnetic film) having in-plane magnetic anisotropy is formed adjacent to the magnetization fixed layer 260. The in-plane magnetization film 290 is antiferromagnetically or ferromagnetically coupled to the magnetization fixed layer 260. As a result, the magnetization of the magnetization fixed layer 260 is directed in the in-plane direction. In the example of FIG. 11, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 260 is the + X ′ direction. On the other hand, the magnetization direction of the magnetization free layer 280 is the −Z ′ direction. That is, in the second magnetoresistive element 250, the magnetization direction of the magnetization free layer 280 and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 260 are orthogonal to each other. Therefore, the resistance value of the second magnetoresistive element 250 is an intermediate value “R0.5” between R0 and R1.

尚、図10及び図11で示された例において、第1磁気抵抗素子200の各層と第2磁気抵抗素子250の各層は同じ層に形成されていることが好適である。具体的には、磁化固定層210と磁化固定層260は同じ層に形成され、トンネルバリヤ層220とトンネルバリヤ層270は同じ層に形成され、磁化自由層230と磁化自由層280は同じ層に形成される。この場合、Z軸とZ’軸が平行であることが好適である。   In the example shown in FIGS. 10 and 11, each layer of the first magnetoresistive element 200 and each layer of the second magnetoresistive element 250 are preferably formed in the same layer. Specifically, the magnetization fixed layer 210 and the magnetization fixed layer 260 are formed in the same layer, the tunnel barrier layer 220 and the tunnel barrier layer 270 are formed in the same layer, and the magnetization free layer 230 and the magnetization free layer 280 are formed in the same layer. It is formed. In this case, it is preferable that the Z-axis and the Z′-axis are parallel.

データ読み出し時には、各MTJを貫通するように読み出し電流が流される。メモリセルMCに関しては、磁化固定層210と磁化自由層230との間に読み出し電流が流される。これにより、記録データ(R0あるいはR1)に応じた読み出しレベルが生成される。リファレンスセルRCに関しては、磁化固定層260と磁化自由層280との間に読み出し電流が流される。これにより、R0.5に応じたリファレンスレベルが生成される。読み出しレベルとリファレンスレベルとを比較することにより、メモリセルMCの記録データが判別される。   When data is read, a read current is passed through each MTJ. With respect to the memory cell MC, a read current flows between the magnetization fixed layer 210 and the magnetization free layer 230. As a result, a read level corresponding to the recording data (R0 or R1) is generated. Regarding the reference cell RC, a read current is passed between the magnetization fixed layer 260 and the magnetization free layer 280. Thereby, the reference level according to R0.5 is generated. By comparing the read level with the reference level, the recording data of the memory cell MC is determined.

本実施の形態において、メモリセルMCに対するデータ書き込み方式として以下のものが考えられる。   In the present embodiment, the following can be considered as a method of writing data to the memory cell MC.

2−2.スピン注入型
図12は、第2の実施の形態がスピン注入型に適用された場合を示している。端子T210、T230が磁化固定層210及び磁化自由層230のそれぞれに電気的に接続されている。データ“1”の書き込み時、第1書き込み電流IW1が端子T210から端子T230に流れる。この場合、磁化固定層210と同じスピン状態を有する電子が、磁化自由層230から磁化固定層210に移動する。スピントランスファーにより、磁化自由層230の磁化方向が−Z方向に反転する。一方、データ“0”の書き込み時、第2書き込み電流IW2が端子T230から端子T210に流れる。この場合、磁化固定層210と同じスピン状態を有する電子が、磁化固定層210から磁化自由層230に移動する。スピントランスファーにより、磁化自由層230の磁化方向が+Z方向に反転する。
2-2. Spin Injection Type FIG. 12 shows a case where the second embodiment is applied to a spin injection type. Terminals T210 and T230 are electrically connected to the magnetization fixed layer 210 and the magnetization free layer 230, respectively. When data “1” is written, the first write current IW1 flows from the terminal T210 to the terminal T230. In this case, electrons having the same spin state as the magnetization fixed layer 210 move from the magnetization free layer 230 to the magnetization fixed layer 210. The magnetization direction of the magnetization free layer 230 is reversed to the −Z direction by spin transfer. On the other hand, when data “0” is written, the second write current IW2 flows from the terminal T230 to the terminal T210. In this case, electrons having the same spin state as the magnetization fixed layer 210 move from the magnetization fixed layer 210 to the magnetization free layer 230. By spin transfer, the magnetization direction of the magnetization free layer 230 is reversed to the + Z direction.

2−3.磁壁移動型
図13は、第2の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセルMC及びリファレンスセルRCの構造を示している。
2-3. FIG. 13 shows the structure of the memory cell MC and the reference cell RC when the second embodiment is applied to the domain wall motion type.

メモリセルMCにおいて、第1磁気抵抗素子200の磁化自由層230は、第1磁化固定領域231、第2磁化固定領域232、及び第1磁化固定領域231と第2磁化固定領域232の間をつなぐ磁化反転領域233を含んでいる。第1磁化固定領域231は磁化反転領域233の境界B1に接続され、第2磁化固定領域232は磁化反転領域233の境界B2に接続されている。磁化固定層210は、磁化自由層230のうち磁化反転領域233とオーバーラップしており、磁化固定層210とトンネルバリヤ層220と磁化反転領域233によってMTJが形成される。図13の例において、磁化固定層210の磁化方向は+Z方向に固定されている。   In the memory cell MC, the magnetization free layer 230 of the first magnetoresistance element 200 connects the first magnetization fixed region 231, the second magnetization fixed region 232, and the first magnetization fixed region 231 and the second magnetization fixed region 232. The magnetization switching region 233 is included. The first magnetization fixed region 231 is connected to the boundary B1 of the magnetization switching region 233, and the second magnetization fixed region 232 is connected to the boundary B2 of the magnetization switching region 233. The magnetization fixed layer 210 overlaps with the magnetization switching region 233 in the magnetization free layer 230, and an MTJ is formed by the magnetization fixed layer 210, the tunnel barrier layer 220, and the magnetization switching region 233. In the example of FIG. 13, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 210 is fixed in the + Z direction.

磁化自由層230において、磁化反転領域233の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層210の磁化方向と平行あるいは反平行となる。一方、第1磁化固定領域231及び第2磁化固定領域232の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図13の例では、第1磁化固定領域231の磁化方向は+Z方向に固定されており、第2磁化固定領域232の磁化方向は−Z方向に固定されている。磁化反転領域233の磁化方向が+Z方向の場合、境界B2に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域233と磁化固定層210の磁化方向は平行であり、第1磁気抵抗素子200の抵抗値は“R0”である。一方、磁化反転領域233の磁化方向が−Z方向の場合、境界B1に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域233と磁化固定層210の磁化方向は反平行であり、第1磁気抵抗素子200の抵抗値は“R1”である。   In the magnetization free layer 230, the magnetization direction of the magnetization switching region 233 can be reversed, and is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 210. On the other hand, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 231 and the second magnetization fixed region 232 are fixed in opposite directions. In the example of FIG. 13, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 231 is fixed in the + Z direction, and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 232 is fixed in the −Z direction. When the magnetization direction of the magnetization switching region 233 is the + Z direction, a domain wall is formed at the boundary B2. At this time, the magnetization direction of the magnetization switching region 233 and the magnetization fixed layer 210 is parallel, and the resistance value of the first magnetoresistance element 200 is “R0”. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization switching region 233 is the −Z direction, a domain wall is formed at the boundary B1. At this time, the magnetization direction of the magnetization switching region 233 and the magnetization fixed layer 210 is antiparallel, and the resistance value of the first magnetoresistance element 200 is “R1”.

リファレンスセルRCにおいて、第2磁気抵抗素子250の磁化自由層280は、第1磁化固定領域281、第2磁化固定領域282、及び第1磁化固定領域281と第2磁化固定領域282の間をつなぐ磁化領域283を含んでいる。第1磁化固定領域281は磁化領域283の境界B3に接続され、第2磁化固定領域282は磁化領域283の境界B4に接続されている。磁化固定層260は、磁化自由層280のうち磁化領域283とオーバーラップしており、磁化固定層260とトンネルバリヤ層270と磁化領域283によってMTJが形成される。   In the reference cell RC, the magnetization free layer 280 of the second magnetoresistive element 250 connects the first magnetization fixed region 281, the second magnetization fixed region 282, and the first magnetization fixed region 281 and the second magnetization fixed region 282. A magnetized region 283 is included. The first magnetization fixed region 281 is connected to the boundary B3 of the magnetization region 283, and the second magnetization fixed region 282 is connected to the boundary B4 of the magnetization region 283. The magnetization fixed layer 260 overlaps the magnetization region 283 in the magnetization free layer 280, and the MTJ is formed by the magnetization fixed layer 260, the tunnel barrier layer 270, and the magnetization region 283.

図13において、既出の図10の場合と同様に、面内磁化膜290が磁化自由層280のうち少なくとも磁化領域283に隣接している。その結果、少なくとも磁化領域283の磁化が面内方向を向く。図13の例では、磁化領域283の磁化方向は+X’方向である。一方、磁化固定層260の磁化方向は+Z’方向に固定されている。つまり、第2磁気抵抗素子250において、磁化領域283の磁化方向と磁化固定層260の磁化方向が互いに直交している。従って、第2磁気抵抗素子250の抵抗値は“R0.5”となる。   In FIG. 13, the in-plane magnetization film 290 is adjacent to at least the magnetization region 283 in the magnetization free layer 280 as in the case of FIG. 10 described above. As a result, at least the magnetization of the magnetization region 283 is directed in the in-plane direction. In the example of FIG. 13, the magnetization direction of the magnetization region 283 is the + X ′ direction. On the other hand, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 260 is fixed in the + Z ′ direction. That is, in the second magnetoresistive element 250, the magnetization direction of the magnetization region 283 and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 260 are orthogonal to each other. Therefore, the resistance value of the second magnetoresistive element 250 is “R0.5”.

図14は別の例を示している。図14において、既出の図11の場合と同様に、面内磁化膜290が磁化固定層260に隣接して形成されている。その結果、磁化固定層260の磁化が面内方向を向く。図14の例では、磁化固定層260の磁化方向は+X’方向である。一方、磁化自由層280において、磁化領域283の磁化方向は+Z’方向あるいは−Z’方向である。つまり、第2磁気抵抗素子250において、磁化領域283の磁化方向と磁化固定層260の磁化方向が互いに直交している。従って、第2磁気抵抗素子250の抵抗値は“R0.5”となる。尚、図14において、第1磁化固定領域281及び第2磁化固定領域282の磁化方向は逆向きに固定されていてもよい。   FIG. 14 shows another example. In FIG. 14, the in-plane magnetization film 290 is formed adjacent to the magnetization fixed layer 260 as in the case of FIG. As a result, the magnetization of the magnetization fixed layer 260 is directed in the in-plane direction. In the example of FIG. 14, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 260 is the + X ′ direction. On the other hand, in the magnetization free layer 280, the magnetization direction of the magnetization region 283 is the + Z ′ direction or the −Z ′ direction. That is, in the second magnetoresistive element 250, the magnetization direction of the magnetization region 283 and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 260 are orthogonal to each other. Therefore, the resistance value of the second magnetoresistive element 250 is “R0.5”. In FIG. 14, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 281 and the second magnetization fixed region 282 may be fixed in opposite directions.

図15及び図16は、第1磁気抵抗素子200あるいは第2磁気抵抗素子250の平面形状の例を示している。磁化自由層230(磁化自由層280)は、図15に示されるように直線状に形成されてもよいし、図16に示されるようにU字状に形成されてもよい。   15 and 16 show examples of the planar shape of the first magnetoresistive element 200 or the second magnetoresistive element 250. FIG. The magnetization free layer 230 (magnetization free layer 280) may be formed in a straight line shape as shown in FIG. 15, or may be formed in a U shape as shown in FIG.

図17は、磁壁移動型の場合のデータ書き込みを示している。端子T231、T232が、磁化自由層230の第1磁化固定領域231及び第2磁化固定領域232のそれぞれに電気的に接続されている。データ“0”からデータ“1”への遷移時、第1書き込み電流IW1が端子T231から端子T232に流れる。この場合、磁化反転領域233には第2磁化固定領域232から電子が注入される。スピントランスファーにより、磁壁は境界B2から境界B1へ移動し、磁化反転領域233の磁化方向が−Z方向に反転する。一方、データ“1”からデータ“0”への遷移時、第2書き込み電流IW2が端子T232から端子T231に流れる。この場合、磁化反転領域233には第1磁化固定領域231から電子が注入される。スピントランスファーにより、磁壁は境界B1から境界B2へ移動し、磁化反転領域233の磁化方向が+Z方向に反転する。このように、書き込み電流IW1、IW2は磁化自由層230内を流れ、その磁化自由層230内の磁壁が境界B1と境界B2との間を移動する。   FIG. 17 shows data writing in the domain wall motion type. Terminals T231 and T232 are electrically connected to the first magnetization fixed region 231 and the second magnetization fixed region 232 of the magnetization free layer 230, respectively. At the time of transition from data “0” to data “1”, the first write current IW1 flows from the terminal T231 to the terminal T232. In this case, electrons are injected from the second magnetization fixed region 232 into the magnetization switching region 233. By spin transfer, the domain wall moves from the boundary B2 to the boundary B1, and the magnetization direction of the magnetization switching region 233 is reversed in the −Z direction. On the other hand, at the time of transition from data “1” to data “0”, the second write current IW2 flows from the terminal T232 to the terminal T231. In this case, electrons are injected from the first magnetization fixed region 231 into the magnetization switching region 233. Due to the spin transfer, the domain wall moves from the boundary B1 to the boundary B2, and the magnetization direction of the magnetization switching region 233 is reversed in the + Z direction. In this way, the write currents IW1 and IW2 flow in the magnetization free layer 230, and the domain wall in the magnetization free layer 230 moves between the boundary B1 and the boundary B2.

3.第3の実施の形態
本発明の第3の実施の形態は、磁壁移動型に適用される。既出の実施の形態で説明されたように、磁壁移動型の場合、メモリセルMCの磁化自由層中で磁壁が移動する。そして、磁壁の位置によって抵抗値“R0”あるいは“R1”が決まる。第3の実施の形態では、リファレンスセルRCの磁化自由層において、抵抗値が“R0.5”となる位置に磁壁が形成される。
3. Third Embodiment A third embodiment of the present invention is applied to a domain wall motion type. As described in the foregoing embodiments, in the domain wall motion type, the domain wall moves in the magnetization free layer of the memory cell MC. The resistance value “R0” or “R1” is determined by the position of the domain wall. In the third embodiment, a domain wall is formed at a position where the resistance value is “R0.5” in the magnetization free layer of the reference cell RC.

図18は、本実施の形態に係るメモリセルMC及びリファレンスセルRCの断面構造の一例を示している。図18で示される例では、面内磁気異方性を有する面内磁化膜が用いられる。   FIG. 18 shows an example of a cross-sectional structure of the memory cell MC and the reference cell RC according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 18, an in-plane magnetization film having in-plane magnetic anisotropy is used.

メモリセルMCは、第1磁気抵抗素子300を含んでいる。第1磁気抵抗素子300は、磁化固定層310、トンネルバリヤ層320及び磁化自由層330を有している。トンネルバリヤ層320は磁化固定層310と磁化自由層330に挟まれている。   The memory cell MC includes a first magnetoresistive element 300. The first magnetoresistive element 300 includes a magnetization fixed layer 310, a tunnel barrier layer 320, and a magnetization free layer 330. The tunnel barrier layer 320 is sandwiched between the magnetization fixed layer 310 and the magnetization free layer 330.

磁化自由層330は、第1磁化固定領域331、第2磁化固定領域332、及び第1磁化固定領域331と第2磁化固定領域332の間をつなぐ磁化反転領域333を含んでいる。第1磁化固定領域331は磁化反転領域333の境界B1に接続され、第2磁化固定領域332は磁化反転領域333の境界B2に接続されている。磁化固定層310は、磁化自由層330のうち磁化反転領域333とオーバーラップしており、磁化固定層310とトンネルバリヤ層320と磁化反転領域333によってMTJが形成される。図18の例において、磁化固定層310の磁化方向は+X方向に固定されている。   The magnetization free layer 330 includes a first magnetization fixed region 331, a second magnetization fixed region 332, and a magnetization switching region 333 that connects the first magnetization fixed region 331 and the second magnetization fixed region 332. The first magnetization fixed region 331 is connected to the boundary B1 of the magnetization switching region 333, and the second magnetization fixed region 332 is connected to the boundary B2 of the magnetization switching region 333. The magnetization fixed layer 310 overlaps with the magnetization switching region 333 in the magnetization free layer 330, and an MTJ is formed by the magnetization fixed layer 310, the tunnel barrier layer 320, and the magnetization switching region 333. In the example of FIG. 18, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 310 is fixed in the + X direction.

磁化自由層330において、磁化反転領域333の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層310の磁化方向と平行あるいは反平行となる。一方、第1磁化固定領域331及び第2磁化固定領域332の磁化方向は共に、磁化反転領域333へ向かう方向、あるいは、磁化反転領域333から離れる方向に固定されている。磁化の固定は、静磁結合や交換結合により実現可能である。図18の例では、第1磁化固定領域331の磁化方向は磁化反転領域333(境界B1)へ向かう方向に固定されており、第2磁化固定領域332の磁化方向は磁化反転領域333(境界B2)へ向かう方向に固定されている。磁化反転領域333の磁化方向が+X方向の場合、境界B2に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域333と磁化固定層310の磁化方向は平行であり、第1磁気抵抗素子300の抵抗値は“R0”である。一方、磁化反転領域333の磁化方向が−X方向の場合、境界B1に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域333と磁化固定層310の磁化方向は反平行であり、第1磁気抵抗素子300の抵抗値は“R1”である。   In the magnetization free layer 330, the magnetization direction of the magnetization switching region 333 can be reversed, and is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 310. On the other hand, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 331 and the second magnetization fixed region 332 are both fixed toward the magnetization switching region 333 or away from the magnetization switching region 333. The magnetization can be fixed by magnetostatic coupling or exchange coupling. In the example of FIG. 18, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 331 is fixed in the direction toward the magnetization switching region 333 (boundary B1), and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 332 is the magnetization switching region 333 (boundary B2). ) Is fixed in the direction toward. When the magnetization direction of the magnetization switching region 333 is the + X direction, a domain wall is formed at the boundary B2. At this time, the magnetization directions of the magnetization switching region 333 and the magnetization fixed layer 310 are parallel, and the resistance value of the first magnetoresistance element 300 is “R0”. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization switching region 333 is the −X direction, a domain wall is formed at the boundary B1. At this time, the magnetization directions of the magnetization switching region 333 and the magnetization fixed layer 310 are antiparallel, and the resistance value of the first magnetoresistance element 300 is “R1”.

一方、リファレンスセルRCは、第1磁気抵抗素子300と異なる第2磁気抵抗素子350を含んでいる。第2磁気抵抗素子350は、磁化固定層360、トンネルバリヤ層370及び磁化自由層380を有している。トンネルバリヤ層370は磁化固定層360と磁化自由層380に挟まれており、それら磁化固定層360、トンネルバリヤ層370及び磁化自由層380によってMTJが形成されている。   On the other hand, the reference cell RC includes a second magnetoresistive element 350 different from the first magnetoresistive element 300. The second magnetoresistive element 350 has a magnetization fixed layer 360, a tunnel barrier layer 370 and a magnetization free layer 380. The tunnel barrier layer 370 is sandwiched between the magnetization fixed layer 360 and the magnetization free layer 380, and the MTJ is formed by the magnetization fixed layer 360, the tunnel barrier layer 370, and the magnetization free layer 380.

本実施の形態によれば、磁化自由層380内の所定の位置B3には磁壁が形成されている。より詳細には、磁化自由層380は、所定の位置B3を挟んで対向する第1磁化固定領域381及び第2磁化固定領域382を含んでいる。第1磁化固定領域381及び第2磁化固定領域382の磁化方向は共に、位置B3へ向かう方向、あるいは、位置B3から離れる方向に固定されている。その結果、第1磁化固定領域381と第2磁化固定領域382との境界である位置B3に、磁壁が形成される。図18の例では、第1磁化固定領域381及び第2磁化固定領域382の磁化方向は共に、位置B3へ向かう方向に固定されている。尚、磁化の固定は、静磁結合や交換結合により実現可能である。   According to the present embodiment, the domain wall is formed at the predetermined position B3 in the magnetization free layer 380. More specifically, the magnetization free layer 380 includes a first magnetization fixed region 381 and a second magnetization fixed region 382 that are opposed to each other with the predetermined position B3 interposed therebetween. The magnetization directions of the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382 are both fixed in the direction toward the position B3 or away from the position B3. As a result, a domain wall is formed at a position B3 that is a boundary between the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382. In the example of FIG. 18, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382 are both fixed in the direction toward the position B3. The magnetization can be fixed by magnetostatic coupling or exchange coupling.

磁化固定層360の磁化方向は、面内の一方向に固定されている。例えば図18において、磁化固定層360の磁化方向は+X’方向に固定されている。更に、本実施の形態によれば、磁化固定層360は、磁化自由層380中の上記所定の位置B3とオーバーラップするように形成されている。つまり、磁化固定層360は、第1磁化固定領域381及び第2磁化固定領域382の両方にまたがっている。図18の例では、磁化固定層360の磁化方向は、第1磁化固定領域381の磁化方向と平行である一方、第2磁化固定領域382の磁化方向と反平行である。その結果、第2磁気抵抗素子350の抵抗値は“R0.5”となる。このように、磁化自由層380中の磁化固定層360と重なる位置に磁壁を形成することにより“R0.5”が実現される。   The magnetization direction of the magnetization fixed layer 360 is fixed in one direction in the plane. For example, in FIG. 18, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 360 is fixed in the + X ′ direction. Further, according to the present embodiment, the magnetization fixed layer 360 is formed so as to overlap the predetermined position B3 in the magnetization free layer 380. That is, the magnetization fixed layer 360 extends over both the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382. In the example of FIG. 18, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 360 is parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed region 381, while being antiparallel to the magnetization direction of the second magnetization fixed region 382. As a result, the resistance value of the second magnetoresistive element 350 is “R0.5”. In this way, “R0.5” is realized by forming the domain wall at a position overlapping the magnetization fixed layer 360 in the magnetization free layer 380.

図19は、本実施の形態に係るメモリセルMC及びリファレンスセルRCの断面構造の他の例を示している。図19で示される例では、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜が用いられる。   FIG. 19 shows another example of a cross-sectional structure of the memory cell MC and the reference cell RC according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 19, a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy is used.

メモリセルMCの第1磁気抵抗素子300の磁化状態は次の通りである。磁化固定層310の磁化方向は+Z方向に固定されている。磁化自由層330において、磁化反転領域333の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層310の磁化方向と平行あるいは反平行となる。第1磁化固定領域331及び第2磁化固定領域332の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図19の例では、第1磁化固定領域331の磁化方向は+Z方向に固定されており、第2磁化固定領域332の磁化方向は−Z方向に固定されている。磁化反転領域333の磁化方向が+Z方向の場合、境界B2に磁壁が形成される。一方、磁化反転領域333の磁化方向が−Z方向の場合、境界B1に磁壁が形成される。   The magnetization state of the first magnetoresistive element 300 of the memory cell MC is as follows. The magnetization direction of the magnetization fixed layer 310 is fixed in the + Z direction. In the magnetization free layer 330, the magnetization direction of the magnetization switching region 333 can be reversed, and is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 310. The magnetization directions of the first magnetization fixed region 331 and the second magnetization fixed region 332 are fixed in opposite directions. In the example of FIG. 19, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 331 is fixed in the + Z direction, and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 332 is fixed in the −Z direction. When the magnetization direction of the magnetization switching region 333 is the + Z direction, a domain wall is formed at the boundary B2. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization switching region 333 is the −Z direction, a domain wall is formed at the boundary B1.

リファレンスセルRCの第2磁気抵抗素子350の磁化状態は次の通りである。磁化固定層360の磁化方向は+Z’方向に固定されている。磁化自由層380において、第1磁化固定領域381及び第2磁化固定領域382の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図19の例では、第1磁化固定領域381の磁化方向は+Z’方向に固定されており、第2磁化固定領域332の磁化方向は−Z’方向に固定されている。その結果、第1磁化固定領域381と第2磁化固定領域382との境界である位置B3に、磁壁が形成される。   The magnetization state of the second magnetoresistive element 350 of the reference cell RC is as follows. The magnetization direction of the magnetization fixed layer 360 is fixed in the + Z ′ direction. In the magnetization free layer 380, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382 are fixed in opposite directions. In the example of FIG. 19, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 381 is fixed in the + Z ′ direction, and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 332 is fixed in the −Z ′ direction. As a result, a domain wall is formed at a position B3 that is a boundary between the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382.

図19においても、磁化固定層360は、磁化自由層380中の磁壁位置B3とオーバーラップするように形成されている。従って、第2磁気抵抗素子350の抵抗値は“R0.5”となる。   Also in FIG. 19, the magnetization fixed layer 360 is formed so as to overlap with the domain wall position B <b> 3 in the magnetization free layer 380. Therefore, the resistance value of the second magnetoresistive element 350 is “R0.5”.

尚、図18及び図19で示された例において、第1磁気抵抗素子300の各層と第2磁気抵抗素子350の各層は同じ層に形成されていることが好適である。具体的には、磁化固定層310と磁化固定層360は同じ層に形成され、トンネルバリヤ層320とトンネルバリヤ層370は同じ層に形成され、磁化自由層330と磁化自由層380は同じ層に形成される。この場合、Z軸とZ’軸が平行であることが好適である。   In the example shown in FIGS. 18 and 19, it is preferable that each layer of the first magnetoresistive element 300 and each layer of the second magnetoresistive element 350 are formed in the same layer. Specifically, the magnetization fixed layer 310 and the magnetization fixed layer 360 are formed in the same layer, the tunnel barrier layer 320 and the tunnel barrier layer 370 are formed in the same layer, and the magnetization free layer 330 and the magnetization free layer 380 are formed in the same layer. It is formed. In this case, it is preferable that the Z-axis and the Z′-axis are parallel.

データ読み出し時には、各MTJを貫通するように読み出し電流が流される。メモリセルMCに関しては、磁化固定層310と磁化自由層330との間に読み出し電流が流される。これにより、記録データ(R0あるいはR1)に応じた読み出しレベルが生成される。リファレンスセルRCに関しては、磁化固定層360と磁化自由層380との間に読み出し電流が流される。これにより、R0.5に応じたリファレンスレベルが生成される。読み出しレベルとリファレンスレベルとを比較することにより、メモリセルMCの記録データが判別される。   When data is read, a read current is passed through each MTJ. With respect to the memory cell MC, a read current flows between the magnetization fixed layer 310 and the magnetization free layer 330. As a result, a read level corresponding to the recording data (R0 or R1) is generated. With respect to the reference cell RC, a read current flows between the magnetization fixed layer 360 and the magnetization free layer 380. Thereby, the reference level according to R0.5 is generated. By comparing the read level with the reference level, the recording data of the memory cell MC is determined.

メモリセルMCに対するデータ書き込み方法は、既出の実施の形態で説明されたものと同じである。図18で示された例の場合、データ書き込みは既出の図8の場合と同じである。図19で示された例の場合、データ書き込みは既出の図17の場合と同じである。   The method of writing data to the memory cell MC is the same as that described in the above embodiments. In the case of the example shown in FIG. 18, data writing is the same as the case of FIG. In the case of the example shown in FIG. 19, data writing is the same as the case of FIG.

図20及び図21は、図18あるいは図19で示されたメモリセルMCの第1磁気抵抗素子300の平面形状の例を示している。図20において、磁化自由層330は直線状に形成されている。この場合、第1磁化固定領域331及び第2磁化固定領域332の磁化方向は互いに逆向きになる。図21において、磁化自由層330はU字状に形成されている。磁化自由層330がU字状であり且つ面内磁気異方性を有する場合、第1磁化固定領域331及び第2磁化固定領域332の磁化の固定に形状磁気異方性を利用することができ、好適である。   20 and 21 show examples of the planar shape of the first magnetoresistive element 300 of the memory cell MC shown in FIG. 18 or FIG. In FIG. 20, the magnetization free layer 330 is formed linearly. In this case, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 331 and the second magnetization fixed region 332 are opposite to each other. In FIG. 21, the magnetization free layer 330 is formed in a U shape. When the magnetization free layer 330 is U-shaped and has in-plane magnetic anisotropy, the shape magnetic anisotropy can be used to fix the magnetization of the first magnetization fixed region 331 and the second magnetization fixed region 332. Is preferable.

図22及び図23は、図18あるいは図19で示されたリファレンスセルRCの第2磁気抵抗素子350の平面形状の例を示している。図22において、磁化自由層380は直線状に形成されている。この場合、第1磁化固定領域381及び第2磁化固定領域382の磁化方向は互いに逆向きになる。また、位置B3に磁壁を安定的に留めるために、位置B3に隣接してノッチ384が形成されている。図23において、磁化自由層380の第1磁化固定領域381及び第2磁化固定領域382はV字状に形成されている。第1磁化固定領域381と第2磁化固定領域382は、境界B3を挟んで対称的に形成されることが望ましい。磁化自由層380がV字状であり且つ面内磁気異方性を有する場合、第1磁化固定領域381及び第2磁化固定領域382の磁化の固定に形状磁気異方性を利用することができ、好適である。   22 and 23 show examples of the planar shape of the second magnetoresistive element 350 of the reference cell RC shown in FIG. 18 or FIG. In FIG. 22, the magnetization free layer 380 is formed linearly. In this case, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382 are opposite to each other. A notch 384 is formed adjacent to the position B3 in order to stably keep the domain wall at the position B3. In FIG. 23, the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382 of the magnetization free layer 380 are formed in a V shape. It is desirable that the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382 are formed symmetrically with the boundary B3 interposed therebetween. When the magnetization free layer 380 is V-shaped and has in-plane magnetic anisotropy, the shape magnetic anisotropy can be used to fix the magnetization of the first magnetization fixed region 381 and the second magnetization fixed region 382. Is preferable.

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

MC メモリセル
RC リファレンスセル
10 MRAM
20 メモリセルアレイ
30 読み出し回路
100,200,300 第1磁気抵抗素子
110,210,310 磁化固定層
120,220,320 トンネルバリヤ層
130,230,330 磁化自由層
131,231,331 第1磁化固定領域
132,232,332 第2磁化固定領域
133,233,333 磁化反転領域
134,135 ノッチ
140 書き込み配線
150,250,350 第2磁気抵抗素子
160,260,360 磁化固定層
170,270,370 トンネルバリヤ層
180,280,380 磁化自由層
181,281,381 第1磁化固定領域
182,282,382 第2磁化固定領域
183,283 磁化領域
184,185 ノッチ
290 面内磁化膜
MC memory cell RC reference cell 10 MRAM
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Memory cell array 30 Read circuit 100,200,300 1st magnetoresistive element 110,210,310 Magnetization fixed layer 120,220,320 Tunnel barrier layer 130,230,330 Magnetization free layer 131,231,331 1st magnetization fixed area | region 132, 232, 332 Second magnetization fixed region 133, 233, 333 Magnetization reversal region 134, 135 Notch 140 Write wiring 150, 250, 350 Second magnetoresistive element 160, 260, 360 Magnetization fixed layer 170, 270, 370 Tunnel barrier Layer 180, 280, 380 Magnetization free layer 181, 281, 381 First magnetization fixed region 182, 282, 382 Second magnetization fixed region 183, 283 Magnetization region 184, 185 Notch 290 In-plane magnetization film

Claims (3)

抵抗値が第1値と第2値の間で切り換わる第1磁気抵抗素子を含むメモリセルと、
前記メモリセルからのデータ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルと
を備え、
前記リファレンスセルは、抵抗値が前記第1値と前記第2値の間の第3値に固定された第2磁気抵抗素子を含み、
前記第1磁気抵抗素子は、
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された第1磁化固定層と、
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が前記第1磁化固定層の磁化方向と平行あるいは反平行となる磁化反転領域を少なくとも含む第1磁化自由層と、
前記第1磁化固定層と前記磁化反転領域に挟まれた第1非磁性層と
を有し、
前記第2磁気抵抗素子は、
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が第1方向である磁化領域を少なくとも含む第2磁化自由層と、
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が前記第1方向と直交する第2方向に固定された第2磁化固定層と、
前記第2磁化固定層と前記磁化領域に挟まれた第2非磁性層と
を有し、
前記第1方向および前記第2方向のうちいずれか一方は面内方向であり、かつ、他方は垂直方向であり、
前記第2磁気抵抗素子は、
前記磁化領域および前記第2磁化固定層のうち面内方向に磁化された一方に隣接して設けられた面内磁化膜
をさらに具備し、
前記面内磁化膜は、
面内磁気異方性を有する強磁性膜または反強磁性膜
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリ。
A memory cell including a first magnetoresistive element whose resistance value switches between a first value and a second value;
A reference cell referred to for generating a reference level when reading data from the memory cell,
The reference cell includes a second magnetoresistive element having a resistance value fixed to a third value between the first value and the second value,
The first magnetoresistive element is:
A first magnetization fixed layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction;
A first magnetization free layer having at least a magnetization switching region having perpendicular magnetic anisotropy and having a magnetization direction parallel or antiparallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer;
The first magnetization fixed layer and a first nonmagnetic layer sandwiched between the magnetization switching regions;
The second magnetoresistive element is
A second magnetization free layer having at least a magnetization region having perpendicular magnetic anisotropy and having a magnetization direction in the first direction;
A second magnetization fixed layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a magnetization direction fixed in a second direction orthogonal to the first direction;
The second magnetization fixed layer and a second nonmagnetic layer sandwiched between the magnetization regions;
Either one of the first direction and the second direction is an in-plane direction , and the other is a vertical direction,
The second magnetoresistive element is
An in-plane magnetization film provided adjacent to one of the magnetization region and the second magnetization fixed layer that is magnetized in the in-plane direction.
Further comprising
The in-plane magnetization film is
Ferromagnetic or antiferromagnetic film with in-plane magnetic anisotropy
A magnetic random access memory comprising:
請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1方向は面内方向であり、
前記面内磁化膜は、前記第2磁化自由層の前記磁化領域に隣接している
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 1,
The first direction is an in-plane direction;
The in-plane magnetization film is a magnetic random access memory adjacent to the magnetization region of the second magnetization free layer .
請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第2方向は面内方向であり、
前記面内磁化膜は、前記第2磁化固定層に隣接している
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 1,
The second direction is an in-plane direction;
The in-plane magnetization film is a magnetic random access memory adjacent to the second magnetization fixed layer .
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